【化学课件】分子与原子结构课件

分子与原子结构课程概述1物质的微观构成2原子的基本结构探索从宏观物质到微观粒子的构成层次，理解物质世界的学习原子内部构造，包括原子核和核外电子的排布规律基本组成单位3分子的形成原理元素周期表规律掌握原子如何通过化学键结合形成分子的基本原理第一部分物质构成的基础宏观物质观察从我们能看到的物质开始，思考这些物质是由什么构成的微观世界探索深入物质内部，发现分子、原子等微观粒子的存在层次性理解认识物质构成的多层次特点物质分子原子亚原子粒子→→→物质构成的微观世界××⁻⁶

1.6710²¹310²一滴水的分子数单个水分子质量约含有这么多个水分子，数量惊人千克为单位，质量极其微小⁻⁰10¹原子半径数量级米为单位，肉眼无法直接观察宏观物质由无数微观粒子构成，包括分子、原子、离子等不同类型的粒子这些微观粒子的存在说明了物质世界的精细结构分子的概念分子定义纯净物构成混合物构成保持物质化学性质的最小粒子，是独相同分子构成纯净物，这些分子具有不同分子构成混合物，各种分子保持立存在的微观单位分子能够体现物相同的化学组成和结构例如纯水完各自的化学性质空气就是由氮气、质的化学特性，在化学反应中起到关全由₂分子构成氧气等不同分子组成的混合物H O键作用分子的特性分子间隔分子运动分子之间存在间隔空间，这解释了物质1分子处于不断运动状态，运动速度与温的可压缩性2度密切相关温度影响分子作用力4温度升高分子运动加快，温度降低分子分子间存在相互作用力，影响物质的聚3运动减慢集状态分子的表示方法化学式表示结构式表示分子模型用元素符号和数字表示分子组成例如显示原子在分子中的排列方式和连接关三维立体模型展示分子的空间构型使₂表示水分子由个氢原子和个氧系通过化学键线条展示原子间的结合用球棍模型或空间填充模型，帮助理解H O21原子构成₂表示二氧化碳分子的组方式，更直观地反映分子内部结构分子的真实形状和大小关系CO成原子的概念基本定义化学反应中最小的粒子，不能再分割而保持元素性质元素种类世界上约有多种元素，每种元素由特定的原子构成110原子守恒在化学反应中原子种类和数目保持不变，只是重新组合分子与原子的关系1原子基础原子是构成分子的基本单位，为分子形成提供物质基础2分子形成大多数分子由多个原子通过化学键结合而成3特殊情况稀有气体等以单原子分子形式存在，具有稳定结构第二部分原子结构电子排布核外电子的层次分布规律1亚原子粒子2质子、中子、电子的特性原子内部构造3原子核与核外电子的组成深入探索原子内部的精细结构，理解原子核与核外电子的关系，掌握电子在原子中的排布规律，为理解化学性质打下坚实基础原子结构的发现历程卢瑟福实验1年著名的粒子散射实验1911α重要发现2粒子大角度散射揭示原子内部结构α模型建立3提出原子核式结构模型，奠定现代原子理论基础原子的行星模型原子核电子轨道12位于原子中心，体积小但质量大电子在核周围的运动轨迹原子半径电子云约为⁻米，决定原子大小电子在核外空间的概率分布10¹⁰43原子的组成部分原子核核外电子电荷平衡由质子和中子构成，集围绕原子核运动的带负原子中质子数等于电子中了原子的大部分质电粒子，质量很小但决数，使整个原子呈电中量，体积极小但密度极定原子的化学性质性状态大基本粒子的特性粒子名称电荷性质相对质量在原子中的位置质子原子核内+11中子原子核内01电子核外空间-11/1836三种基本粒子各有不同特点质子和中子构成原子核，质量相近；电子质量很小，但其数目和排布决定了原子的化学性质原子核的特点电荷性质质量分布原子核带正电荷，电荷数等于核集中了原子几乎全部质量内质子数正电荷与核外负电子（以上）虽然体积极

99.9%形成强烈的库仑引力，维持原子小，但密度极大，是物质世界密的稳定结构度最大的区域之一元素特征核内质子数决定元素种类和原子序数不同元素的原子核含有不同数目的质子，这是元素间本质差异的根源核外电子的特性电荷性质运动状态每个电子带一个单位负电荷，与质子的正电荷大小相等，在原子核周围高速运动，不会掉入原子核，形成稳定的电符号相反，维持原子的电中性子云分布质量特点化学意义质量极小，约为质子质量的，对原子总质量贡献核外电子特别是最外层电子决定原子的化学性质和反应活1/1836很少性原子序数与核电荷数基本关系核电荷数质子数电子数原子序数，这是原子结构的基本等量关===系电荷平衡原子中质子数等于电子数，保证原子整体呈电中性状态元素特征不同元素的原子具有不同的质子数，这是区分元素的根本标志周期表位置元素在周期表中的位置完全由其原子序数决定，体现了元素的本质特征原子质量数质量数定义同位素概念表示方法质量数等于质子数加中子数，用上标表质子数相同但中子数不同的原子称为同用质量数作为上标，原子序数作为下标示例如表示碳原子的质量数为，位素它们具有相同的原子序数但不同来表示特定的原子核素这种表示方法¹²C12其中含有个质子和个中子的质量数，化学性质基本相同能清楚显示原子的核素组成66同位素1氢的同位素（氕）、（氘）、（氚）具有相同质子数但不同中子数¹H²H³H2碳的同位素、、在考古断代和医学诊断中有重要应用¹²C¹³C¹⁴C3应用领域放射性同位素在医疗诊断、癌症治疗、考古年代测定中发挥重要作用电子层结构分层排布1电子在核外按能量高低分层排布，形成、、、等电子层K LM N能量递增2从内到外电子层能量逐渐增高，电子优先占据能量较低的内层化学性质3最外层电子数决定原子的化学性质和在化学反应中的行为电子排布规律最外层限制最外层电子数不超过个（层除外）18K各层容量2层最多个，层最多个，层最多个电子K2L8M18填充顺序3电子优先填充内层，内层填满后才填充外层电子排布实例元素原子序数电子排布最外层电子数氢H111氦He222锂Li32,11碳C62,44钠Na112,8,11氯Cl172,8,77原子最外层电子与化学性质族的形成性质决定1最外层电子数相同的元素化学性质相最外层电子数决定元素的主要化学性质2似，构成元素周期表的族反应趋势稳定结构4原子倾向于通过得失或共享电子达到稳最外层个电子（或层个电子）的结8K23定的电子构型构特别稳定第三部分分子结构化学键类型共价键、离子键、金属键等不同类型的原子间相互作用分子几何分子的三维空间构型和原子的空间排列方式形成原理原子如何通过电子的相互作用形成稳定的分子结构化学键概述基本定义形成本质化学键是原子间形成的稳定联化学键的本质是电子的相互作系，是维持分子或晶体结构完整用，通过电子的重新分布或共享性的根本力量它决定了物质的来实现原子间的结合，降低体系组成、结构和性质的总能量键的分类主要包括共价键、离子键和金属键三大类，每种化学键都有其特定的形成条件和性质特点共价键形成条件主要在非金属元素之间形成，原子电负性差值较小成键方式原子间通过共享电子对形成稳定的化学键典型实例₂分子中氢原子共享电子对，₄中碳氢原子共享电子H CH键的特性具有方向性和饱和性，决定分子的几何构型共价键的特点方向性共价键具有明确的方向性，决定分子的空间构型原子轨道的重叠方向决定了化学键的方向，进而影响分子的几何形状饱和性每个原子能形成的共价键数目有限，取决于原子的价电子数和轨道数目这种饱和性限制了分子的最大键数极性特征当成键原子电负性不同时，电子云向电负性大的原子偏移，形成极性共价键，产生分子的极性键的强度共价键通常较强，断裂需要吸收相当大的能量键长越短，键能越大，化学键越稳定离子键1电子转移金属原子失去电子形成正离子，非金属原子得到电子形成负离子2静电引力正负离子间产生强烈的静电引力，形成离子键3典型化合物如、、₂等离子化合物，具有典型的离子键特征NaCl MgOCaF离子键的特点无方向性不饱和性晶体结构离子键是正负离子间的静电引力，在空一个离子可以同时与多个异号离子结离子化合物通常形成规则的晶体结构，间各个方向上强度相等，没有特定的方合，只要空间允许结合数目主要受离离子按一定规律排列在晶格中常见的向性这使得离子能在三维空间中形成子大小和空间几何因素限制，而非电子有氯化钠型、氯化铯型、萤石型等晶体稳定的晶格结构配对限制结构金属键电子海模型导电性金属中自由电子形成电子海，与金属阳离自由电子能够自由移动，赋予金属良好的导子相互作用电性能12金属光泽延展性43自由电子与光波相互作用产生金属特有的光金属键的非定向性使金属具有良好的延展性泽和可塑性分子间作用力物理性质影响氢键分子间作用力强弱直接影响物质的沸点、范德华力氢原子与电负性很强的原子形成的特殊分熔点、溶解性等重要物理性质分子间普遍存在的较弱相互作用力，包括子间作用力，比范德华力强，在水分子间色散力、取向力和诱导力，影响物质的物普遍存在理性质分子的几何构型线型分子平面三角形四面体₂、₂₂等分子₃分子呈平面三角形₄分子呈正四面体CO CH BFCH呈直线形排列，键角为构型，键角为°，构型，键角为120°，具有对称的空所有原子共平面°，碳原子位于

180109.5间结构中心构型与性质分子几何构型直接影响分子的极性、反应活性和物理性质第四部分元素周期表与原子结构周期性规律元素性质的周期性变化1族和周期2纵列为族，横行为周期的排列规律原子序数排列3按原子序数递增的顺序排列元素元素周期表是化学中最重要的工具之一，它不仅系统地组织了所有已知元素，更重要的是揭示了元素性质与原子结构之间的内在联系元素周期表简介1历史创立年门捷列夫创立第一个科学的元素周期表，预言了未知元素1869的存在2排列原则现代周期表按原子序数递增顺序排列，体现了原子结构的内在规律3表格结构横行称为周期，纵列称为族，这种排列揭示了元素性质的周期性变化4科学意义反映了元素性质与原子结构的关系，是化学研究的重要工具周期表与电子排布周期与电子层主族与外层电子元素分类周期数等于原子的电子层数第一周期主族序号等于原子最外层电子数Ⅰ族族元素为代表元素，原子结构简单规A a元素原子只有个电子层，第二周期有元素最外层都有个电子，Ⅶ族都有律；族元素为过渡元素，电子排布较复121A7b个电子层，依此类推这种对应关系体个电子这种规律性解释了同族元素化杂这种分类反映了原子结构的不同特现了电子排布的规律性学性质相似的原因点元素周期律基本规律元素性质随原子序数呈周期性变化，这是原子结构周期性变化的反映同周期变化从左到右金属性减弱，非金属性增强，原子半径减小同族变化从上到下金属性增强，非金属性减弱，原子半径增大实际应用预测元素性质，指导新材料设计和化学反应元素的分类金属元素非金属元素位于周期表的左侧和中部，具有主要位于周期表右上角，一般不金属光泽、导电导热性好、延展具有金属光泽，导电性差容易性强等特点容易失去电子形成得到电子形成负离子，表现出氧正离子，表现出还原性化性半金属元素位于金属和非金属之间的过渡区域，性质介于两者之间如硅、锗等，在电子工业中有重要应用第五部分微观结构与宏观性质结构决定性质性质指导应用原子和分子的微观结构决定了物质的宏1了解物质性质有助于合理利用和改造物观性质2质应用促进研究理论指导实践4实际应用需求推动对结构性质关系的深结构理论指导新材料设计和性质预测3入研究原子结构与元素性质1金属性与非金属性最外层电子数少的元素易失电子表现金属性，最外层电子数多的元素易得电子表现非金属性2化学活泼性最外层电子数越偏离稳定结构（电子或电子），元素越活泼，越容易参82与化学反应3氧化性与还原性易得电子的元素表现氧化性，易失电子的元素表现还原性，这与原子结构密切相关4电负性变化原子吸引电子的能力与原子半径、核电荷数等因素有关，呈现规律性变化分子结构与物质性质分子极性1分子的极性决定其溶解性，极性分子易溶于极性溶剂分子大小2分子量大小影响物质的物理状态和沸点熔点官能团3分子中特定的原子团决定化学反应的活性和方向常见元素原子结构分析氢元素碳元素氧元素最简单的原最外层个电最外层个电46子，只有个质子，能形成多子，表现强氧1子和个电子，种化合物，是化性，是维持1是宇宙中最丰有机化合物的生命的重要元富的元素基础素钠元素最外层个电1子，典型金属元素，易失电子形成离子化合物同周期元素对比元素原子半径电负性金属性氧化性最大最小最强最弱Li中等中等中等中等C最小最大最弱最强F第二周期元素从锂到氟，随着原子序数增加，原子半径递减，电负性递增，金属性递减，非金属性递增这种变化规律体现了原子结构对元素性质的决定作用同族元素对比Ⅰ族（碱金属）Ⅶ族（卤族）A A、、、、从上到下原子半径增大，金属性增强，还、、、从上到下原子半径增大，非金属性减弱，氧化性Li NaK RbCs FCl BrI原性增强都容易失去最外层个电子形成价离子减弱都容易得到个电子形成价离子1+11-1•与水反应越来越剧烈•氧化性FClBrI•氢氧化物碱性递增•氢化物稳定性递减•熔点沸点递减•单质熔点沸点递增第六部分原子分子理论应用现代技术先进的结构测定和分析方法1理论发展2原子分子理论的历史演进过程实际应用3化学计量学和反应机理分析原子分子理论不仅是化学的理论基础，更是现代科学技术发展的重要支撑从基础的化学计量到高端的材料设计，都离不开对原子分子结构的深入理解化学计量学原子量与分子量摩尔概念基于原子质量的相对标准，以碳摩尔是物质的量的基本单位，1为基准确定其他原子的相对摩尔物质含有阿伏加德罗常数个-12原子质量分子量是构成分子的微观粒子这个概念将微观粒子所有原子的原子量之和数与宏观质量联系起来化学方程式化学方程式不仅表示反应物和生成物，更重要的是体现了原子守恒和质量守恒定律反应前后原子种类和数目保持不变原子结构测定方法光谱分析射线衍射电子显微镜X通过分析原子发射或吸利用射线在晶体中的扫描隧道显微镜等先进X收的光谱，确定原子的衍射现象，精确测定原技术可以直接观察到原电子层结构和能级分布子在晶体中的排列方式子的排列质谱分析通过测定离子的质荷比，确定原子和分子的精确质量原子分子理论的发展史1道尔顿原子论年提出原子是不可分割的最小粒子，奠定了近代原子理1803论的基础2汤姆逊模型年发现电子，提出葡萄干布丁模型，首次认识到原子内1897部结构3卢瑟福模型年通过粒子散射实验，建立了原子核式结构模型1911α4现代理论量子力学的发展完善了原子结构理论，引入电子云和轨道概念现代原子理论电子云概念电子不是在固定轨道运动，而是在核周围空间形成概率分布的电子云轨道与能级电子占据不同的原子轨道，每个轨道对应特定的能量状态量子数描述用主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数完整描述电子状态光谱解释现代理论成功解释了原子光谱的精细结构和化学键的本质原子分子在现代科技中的应用纳米材料分子生物学药物设计材料科学通过精确控制原子排列制备、蛋白质等生物大分子基于分子结构设计新药物，从原子层面设计新材料，如DNA纳米材料，具有独特的物理的结构决定其功能通过分通过计算机模拟分子相互作超导材料、智能材料等通化学性质碳纳米管、石墨子水平的研究，开发基因治用，提高药物的疗效和选择过改变原子排列和化学键类烯等新材料在电子、能源领疗、分子诊断等生物技术性，减少副作用型，获得所需的材料性能域应用广泛总结与思考微观决定宏观原子和分子的微观结构决定了物质的宏观性质，这是化学学科的核心思想理解这一关系有助于预测和解释化学现象理论意义重大原子分子理论是现代化学和材料科学的基础，指导着新材料开发、药物设计、环境保护等各个领域的科学研究科学方法启示从假说到实验验证，从宏观现象到微观本质，原子分子理论的发展体现了科学探索的基本方法和思维过程学习方法建议学习原子分子知识要注重理论联系实际，通过模型建构、实验观察、逻辑推理等方式深入理解微观世界的奥秘。